Экспериментальные белки помогают узнать о климате древнейших эпох

В горячих источниках могут жить и цианобактерии, и пурпурные, и серные бактерии — их многообразие и создает удивительную палитру этих необычных водоемов. Возможно, именно такие горячие водоемы населяли первые жители нашей планеты. (На снимке — один из горячих источников Йеллоустонского национального парка.) Фото с сайта www.mrfs.net
В горячих источниках могут жить и цианобактерии, и пурпурные, и серные бактерии — их многообразие и создает удивительную палитру этих необычных водоемов. Возможно, именно такие горячие водоемы населяли первые жители нашей планеты. (На снимке — один из горячих источников Йеллоустонского национального парка.) Фото с сайта www.mrfs.net

Американские ученые предложили оригинальную методику реконструкции климата Земли в древнейшие эпохи. Они просчитали наиболее вероятное строение одного из классов белков у предковых форм бактерий и синтезировали эти белки в лаборатории. Оказалось, что воскрешенные белки древних времен имеют довольно высокую температуру плавления. Известно, что температура плавления данного класса белков хорошо согласуется с оптимальной температурой роста бактерий. Таким образом, синтезированные белки показали температуру, к которой были приспособлены древние бактерии, — около 60°С. Такой она, по-видимому, была 3,5 млрд лет назад и постепенно снижалась в течение последующих 3 млрд лет.

Ученые из Фонда прикладной молекулярной эволюции и факультета биохимии и молекулярной биологии Флоридского университета (оба Гэйнсвилл, США) и Компании ДНК-2.0 (Менло-Парк, США) провели многоступенчатое исследование, в результате которого удалось реконструировать температуру земной поверхности в архейские и протерозойские времена, то есть 3,5–0,5 млрд лет назад.

Те далекие эпохи не оставили нам практически никаких свидетельств, потому ученым приходится пользоваться косвенными уликами, моделями и логически непротиворечивыми реконструкциями. Как правило, о климате таких отдаленных эпох судят по изотопному составу углерода, кислорода, кремния, серы и других элементов. Эти данные всегда допускают неоднозначное толкование. Иногда предположения о протерозойских температурах базируются на присутствии тех или иных бактерий, но эти данные еще менее надежны и всегда вызывают массу возражений. Поэтому использование методов, эксплуатирующих любые другие блоки информации, не могут не вызывать интереса у желающих понять прошлое нашей планеты.

И вот американские специалисты предложили новый путь — восстановить белки древнейших бактерий и проверить, к каким температурам эти белки лучше всего приспособлены, благо современная молекулярная биология уже способна выполнить такие удивительные маневры, как конструирование белков. Тогда диапазон температур, в которых реконструированные белки будут устойчивы, как раз и покажет температурные условия, к которым были приспособлены бактерии.

В качестве температурных белков-индикаторов решено было восстановить особые ферменты, участвующие в последовательном присоединении аминокислот на матричную РНК (мРНК) во время синтеза белковой молекулы (то есть в основной стадии трансляции — элонгации). Эти белки-удлинители называются факторами элонгации (elongation factors). Они должны всегда присутствовать в клетке в большом количестве, пока клетка жива, и всегда должны быть наилучшим образом приспособлены к окружающей среде, иначе белки в клетке будут медленно синтезироваться. Авторы статьи остановили свой выбор на одном из трех факторов элонгации, присутствующих у прокариот, — EF-Tu (elongation factor thermo-unstable).

И вот, исходя из строения этих белков-удлинителей и, соответственно, кодирующих их генов у современных бактерий разных классов — архей, протеобактерий, цианобактерий, а также хлороплаcтов и митохондрий и т. д. — были реконструированы наиболее вероятные предковые гены ферментов-удлинителей. Предковые гены должны иметь наибольшее число общих участков последовательностей нуклеотидов, чтобы из этой общей последовательности затем можно было отпочковывать так или иначе измененные участки генов. Это стандартная статистическая задача сейчас легко решается: банки данных с расшифрованными генными последовательностями, в том числе и белков-удлинителей, находятся в открытом доступе. Для реконструкций были взяты две альтернативные схемы эволюции бактерий, так что генные последовательности предковых белков получились немного разные. Затем эти гипотетические белки получили в лаборатории: собрали кодирующие их гены, внедрили их в клетки Escherichia coli, и бактерия вынужденно синтезировала необходимые ученым белки. После чего ученые уже могли спокойно изучать термостойкость этих воскрешенных белков.

Выяснилось, что чем раньше разошлись эволюционные ветви бактерий, то есть чем раньше жил общий предок бактерий, тем более термостойкий был предковый белок-удлинитель. И напротив, наиболее поздно разошедшиеся бактерии имели общего предка, у которых белки были приспособлены к относительно низким температурам. То есть белки-удлинители дают общий тренд снижения температур, к которым были приспособлены древние бактерии, — примерно от 70–62°С в раннеархейские времена (3,5 млрд лет назад) до 37–35°С в докембрийскую эпоху (550 млн лет назад).

Это означает, что на заре земной жизни бактерии жили примерно в таких же условиях, какие сейчас существуют в горячих источниках, если к этому прибавить ультрафиолет и отнять кислород. Использование альтернативных схем бактериальной эволюции, хоть и дает несколько различные предковые белки, но мало отражается на температурных свойствах этих предковых белков, а значит, почти не меняет конечный результат восстановления температуры поверхности Земли. Так, по восстановленным белкам получилось, что цианобактерии возникли в температурных условиях около 63°С, а современные цианобактериальные маты в горячих источниках приспособлены к температурам около 65°С.

Вот так выглядит тренд снижения воссозданных температур плавления белков-удлинителей. Горизонтальные отрезки — это диапазон ошибки определения возраста предковых бактерий по молекулярным часам, ну а температура плавления экспериментальных белков определена без ошибок. Серыми линиями показан тренд снижения температуры океанов по изотопам кислорода (светлая и темная линии отражают оценки из пород различных африканских формаций). График из обсуждаемой статьи в Nature
Вот так выглядит тренд снижения воссозданных температур плавления белков-удлинителей. Горизонтальные отрезки — это диапазон ошибки определения возраста предковых бактерий по молекулярным часам, ну а температура плавления экспериментальных белков определена без ошибок. Серыми линиями показан тренд снижения температуры океанов по изотопам кислорода (светлая и темная линии отражают оценки из пород различных африканских формаций). График из обсуждаемой статьи в Nature

Естественно, важно и то, что полученный температурный тренд совпал с теми расчетами, которые дают реконструкции температур по изотопам кислорода и кремния. Совпадение результатов, полученных различными методами и на основе различных данных, всегда обнадеживает специалистов — это, пожалуй, единственный критерий правдоподобия реконструкций. Других способов доказать реалистичность наших представлений о давно исчезнувшем прошлом пока нет. Теперь осталось придумать, как же при таких высоких температурах происходили великие оледенения. Оледенения хорошо согласуются с существованием умеренных температур на протяжении всей земной истории и служат важным аргументом для сторонников «умеренной» температурной концепции. Ясно, что представленные в публикации в Nature результаты повлекут за собой новый виток дискуссии об условиях становления жизни на Земле.

Источник: Eric A. Gaucher, Sridhar Govindarajan, Omjoy K. Ganesh. Palaeotemperature trend for Precambrian life inferred from resurrected proteins // Nature. 2008. V. 451. P. 704–707.

Елена Наймарк


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • Ka  | 10.02.2008 | 21:03 Ответить
    Очень странная статья - точнее, не сама статья, а ее изложение. Пересказ, рассчитанный на детский сад - это теперь такой стиль на Элементах? "Белки-удлинители" - ну просто слов нет, чтобы EFTu так обозвать... Продолжая аналогию - Рубиско, надо полагать, белок-оживитель, хлорофилл - молекула-озеленитель, а 16S рРНК - еще один удлинитель... может, не надо таких метафор, стоит уважать читателей, и их уровень образования в частности. Тем более что функция белка в данном случае роли особой не играет, помимо того, что белок достаточно древний и присутствует повсеместно.

    "Предковые гены должны иметь наибольшее число общих участков последовательностей нуклеотидов, чтобы из этой общей последовательности затем можно было отпочковывать так или иначе измененные участки генов" - что это должно означать, я не понял... Смысла фраза, вообще говоря, не имеет. Продолжение тоже не внушает особого оптимизма относительно понимания автором смысла рецензируемой статьи: "Это стандартная статистическая задача сейчас легко решается: банки данных с расшифрованными генными последовательностями, в том числе и белков-удлинителей, находятся в открытом доступе." Мне очень нравится этот сайт, и я с удовольствием читал многие статьи Елены Наймарк. Но в данном случае, как мне кажется, статья нуждается в серьезной правке.

    По сути статьи: данные весьма любопытны, но они зависят от того, какой вариант tree of life берется на рассмотрение. Кроме того, мне не очень понятно, почему восстановление шло по филогении, основанной на анализе не самого EF-Tu, а, скажем, конкатамеров, как для дерева, взятого из статьи Ciccarelli et al., 2006. При этом филогения самого EF-Tu в работе особенно не обсуждается. Ну и датировки, основанные на гипотезе молекулярных часов - вещь, по меньшей мере, не надежная. Впрочем, тем не менее, гипотеза о термофильном LUCA получает дальнейшее подтверждение.
    Ответить
    • editor > Ka | 11.02.2008 | 00:38 Ответить
      Уважаемый Ka!
      Судя по последнему абзацу вашего комментария, вы не так уж далеки от молекулярной биологии. Редакция "Элементов" (и Елена Наймарк, думаем, тоже) будет вам благодарна, если вы, как специалист, более точно перескажете недостаточно хорошо изложенные, по-вашему, мысли исходной статьи.

      А кроме того, раз вы так дорожите хорошо написанными текстами, приглашаем вас самого попробовать себя на поприще написания научно-популярных новостей.
      Ответить
      • Naimark > editor | 11.02.2008 | 09:07 Ответить
        Белки-удлинители - это я придумала, чтобы не смущать читателей, там в
        скобках написала про факторы элонгации. Дело в том, что статья будет
        интересна и геологам и физикам, а они, по моему глубокому убеждению,
        прочитав про фактор элонганции придут в ужас и сейчас же бросят читать
        остальное.
        Результаты этой статьи расчитаны не только на биофизиков и генетиков, а скорее адресуются геологам и геохимикам. Наш уважаемый коммментатор совершенно правильно заметил те места, которые я умышленно сильно упростила. Наш комментатор, по-видимому специалист в
        этих областях. Но нужно понимать, что дальнейшая дискуссия по результатам этих исследований будет вестись именно между
        геологами и геохимиками, а не биохимиками. Именно они должны правильно эту статью понять, и убедиться в надежности результатов. Они же мало знают про генетические базы данных, некоторые плохо представляют себе, что такое синтез белка, митохондрии и т.д. ( я убеждалась в этом не раз, рассказывая геологам азы молекулярной биологии!). Поэтому на этом уровне бессмысленно вдаваться в детали построения филогенетических деревьев. И если геологам подробно написать про конткатамеры, то они эту статью даже рассматривать не станут. Просто я хорошо представляла себе, для кого я пишу эту новость, биологи ведь и сами, если интересно, про детали восстановления предковых ДНК могут уточнить... Ну, а про молекулярные деревья на основе не факторов элонгации, а других белков, такую методику чаще всего и применяют. Если строить деревья на основе эволюции факторов элонгации,
        а потом на основе реконструированной эволюции восстанавливать климаты и т.д., то получится вещь в себе. Для таких построений как раз чаще всего и используются сторонние гены, и чем их больше, тем лучше.
        Датировки молекулярных часов, действительно вещь ненадежная, потому и
        получились на картинке такие большие диапазоны возможных ошибок в датировках. Я упомянула об этом в подписях к рисункам.
        С уважением, Елена Н.
        Ответить
        • Ka > Naimark | 11.02.2008 | 17:56 Ответить
          Как мне кажется, Вы некорректно упростили те вещи, которые можно было просто пропустить, т.к. они не имеют такого уж критического значения для понимания смысла работы.

          "Белки-удлинители" - это, во-первых, фактически не верно, т.к. EF-Tu ничего не удлиняет, это один из факторов, участвующих в синтезе белка, кажется, участвует в присоединении аминоацил-тРНК к рибосоме. Если Вы хотите упростить текст, напишите просто - один из ключевых белков, участвующий в синтезе белка. И дальше называйте его просто "исследуемым белком" или что-нибудь в этом роде.

          Что касается методов реконструкции предковых последовательностей - то, что написано в тексте (цитаты я привел), я просто не понял. В этих вопросах я не специалист, но общее представление о соответствующих методах имею и, плюс, читал оригинальную статью. Соответственно, если этого не понял я - что поймут геологи?.. Можно было бы просто сказать, что предковые последовательности были восстановлены с помощью методов филогенетики на основе последовательностей современных бактерий, взятых из геномных баз данных.

          По поводу используемых деревьев - чаще всего используют 16S rRNA, а не конкатамеры. В целом, это логично, т.к. выборка для этого гена максимальна, хорошо представлены различные группы организмов, а сами последовательности, как правило, высокого качества. Кроме того, поскольку вторичная стуктурка 16S известна и консервативна, для этого гена можно получить хорошие allignment'ы. Использнованные же деревья основаны на конкатамерах - в одном случае, в основном белков, участвующих в трансляции, во-втором - не знаю, скорее всего, тоже. Преимущество - размер получаемой последовательности. Минусы - трудности определения горизонтального переноса генов (часто в LGT зачисляют все, что не укладывается в представления авторов о эволюции данной группы), неоднозначность выравнивания такого рода последовательностей. Кроме того, логично предположить, что вся машинерия трансляции эволюционировала параллельно, и конкатамеры превращаются, филогенетически, в анализ по одному (хотя и очень большому) "гену"/признаку. Забавно, но при использовании различных конкатамеров различных группы приходят к весьма противоречивым результатам даже на самом высоком филогенетическом уровне (филы, царства).

          Идея молекулярных часов применительно к макроэволюции порочна изначально - из-за неопределенности филогении, неравномерности скорости эволюции различных генов, и т.д. Кроме того, сама идея построения Дерева жизни (tree of life) вызывает сейчас большие сомнения. Соответственно, полученные авторами датировки - это чистая спекуляция, хотя и весьма элегантная. С уважением, Ка.
          Ответить
    • starbax > Ka | 11.02.2008 | 12:27 Ответить
      Может будет лучше если отдельные личности не будут забывать что Элементы - это научно-популярный!!! портал, в основе своей созданый не для ученых?
      Не будьте снобом.
      Ответить
      • Ka > starbax | 11.02.2008 | 17:57 Ответить
        Именно поэтому формулировки здесь должны быть точными, а описания понятными. Иначе может получиться что-нибудь вроде
        http://news.mail.ru/society/1593353/
        Очень бы не хотелось, уж больно Элементы хороший портал.
        Ответить
      • PavelS > starbax | 14.02.2008 | 23:42 Ответить
        +1
        Хорошая статья. Я бы даже сказал, что из статей Елены для меня наиболее интересная. В конце концов, ссылки на источник никто не отменял - а значит всегда можно разобраться что есть что.
        "Пиши истчо". :)
        Ответить
  • mashaants  | 15.05.2008 | 11:21 Ответить
    resurrected proteins - очень круто звучит.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»